(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも表面に窒化ガリウム層を有する基板を製造する方法であって、
誘導結合式プラズマ発生装置を具備したプラズマエッチング装置を用い、フッ素系ガスを導入し、前記窒化ガリウム層の表面をドライエッチング処理することを特徴とする、基板の製造方法。
【請求項２】
前記フッ素系ガスが、フッ化炭素、フッ化炭化水素およびフッ化硫黄からなる群より選ばれた一種以上の化合物を含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記フッ素系ガスが、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８およびＳＦ６からなる群より選ばれた一種以上の化合物であることを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ドライエッチング処理に際して、規格化された直流バイアス電位を−１０Ｖ／ｃｍ２以上として印加することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【請求項５】
前記表面を機械研磨し、次いで化学機械研磨を経ることなく前記ドライエッチング処理することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【請求項６】
前記ドライエッチング後の前記表面のピット量が、前記ドライエッチング前の前記表面のピット量と実質的に同じであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【請求項７】
前記ドライエッチング後の前記表面の算術平均粗さＲａが、前記ドライエッチング前の前記表面の算術平均粗さＲａと実質的に同じであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【請求項８】
前記窒化ガリウム層をフラックス法により作製することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【請求項９】
支持基板上に前記窒化ガリウム層を形成することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム層を含む基板およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種光源の白色ＬＥＤ化が進んでいる。バックライトや電球などの低輝度ＬＥＤはすでに普及が進んでおり、近年はプロジェクターやヘッドライトなどの高輝度ＬＥＤへの適用検討が活発化している。現在主流の白色ＬＥＤは、サファイア下地基板上にＭＯＣＶＤ法で１３族元素窒化物からなる発光層を形成したものである。【０００３】
高輝度ＬＥＤ作製用の下地基板として、サファイアよりも性能向上が期待できるＧａＮ自立基板やＧａＮ厚膜テンプレートが期待され、活発に研究開発が行われている。【０００４】
ＧａＮ厚膜テンプレートとは、サファイアなどの下地基板の上に、１０μｍ以上の厚さのＧａＮ膜を作製したものであり、ＧａＮ自立基板より低コストで作製できる。本発明者らは、液相法を用いて、ＧａＮ自立基板に近い性能を持つＧａＮ厚膜テンプレートを開発した。前述のMOCVD法によるサファイア上のＧａＮ薄膜の厚さは通常数ミクロンであるため、上記の厚さのものを厚膜と呼ぶことにする。【０００５】
ＧａＮ厚膜テンプレート上にＬＥＤを作製すれば、サファイア上に作製した場合より高性能で、ＧａＮ自立基板上に作製した場合より低コストであることが期待できる。【０００６】
ＧａＮ基板は、ＨＶＰＥ法やフラックス法などによって作製したＧａＮ結晶を研磨加工することで得ることができる。ＧａＮ結晶上に高輝度ＬＥＤを作製するためには、ＧａＮ結晶の表面状態が良好であることが求められる。すなわち、ナノメートルレベルの平坦度を有し、傷（スクラッチ）が無く、加工によるダメージ（加工変質層）が無い状態が望ましい。【０００７】
ＧａＮ結晶の表面仕上げにはいくつかの方法がある。ダイヤモンド砥粒を用いる機械研磨であるラップ仕上げ、コロイダルシリカ等の砥粒を含む酸性またはアルカリ性のスラリーを用いて化学反応と機械研磨を併用するＣＭＰ仕上げ、反応性イオンプラズマによるドライエッチング仕上げなどを例示できる。これらの中で、CMP仕上げがもっとも一般的である。【０００８】
ラップ仕上げのメリットは、加工速度が大きいため短時間で仕上げが可能である点である。しかし、一方で表面にスクラッチが生じやすく、また表面に加工変質層が存在するため、基板上に形成する発光層の品質が劣化しやすい問題がある。【０００９】
CMP仕上げでは、表面の加工変質層が無く、スクラッチが生じにくい点がメリットである。しかしながら、加工速度が非常に小さいため加工に時間がかかり生産性が悪い。また、長時間のＣＭＰ処理では化学反応の影響が強く反映され、表面に微小なピットを生じやすい。【００１０】
ドライエッチング仕上げは、平滑表面を得にくいことやコンタミネーションが発生しやすい弱点があるが、加工速度が比較的大きく、プラズマ制御がしっかりできると加工変質層が実用可能レベルに抑制できるというメリットがある。【００１１】
ＧａＮ結晶のドライエッチングについては、以下のような文献が知られている。【００１２】
例えば、特許文献１には、ＣＦ４ガスを用いた方法が開示されている。
また、特許文献２には、ケイ素含有ガスを用いる方法が開示されている。
また、特許文献３には、研磨後のＧａＮ系化合物半導体をエッチングする方法が開示されている。【００１３】
また、特許文献４には、CMP後のＧａＮ結晶基板をドライエッチングする方法が開示されている。
また、特許文献５には、ドライエッチングによる加工変質層の除去について開示されている。
また、特許文献６には、表面処理に伴う不純物に関する記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第２６１３４１４号
【特許文献２】特許第２５９９２５０号
【特許文献３】特開２００１−３２２８９９号
【特許文献４】特許第３５４６０２３号
【特許文献５】特許第４２３２６０５号
【特許文献６】特開２００９−２００５２３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ＧａＮ基板をドライエッチングする場合、通常は塩素系のガスを用いる。これは塩素系ガスを用いるほうが一般には加工速度が大きいためである。例えば、特許文献４や特許文献６によれば、ＧａＮ系化合物半導体のドライエッチングには塩素系ガスが好適に用いられる。【００１６】
フッ素系ガスは、Si基板のエッチングでは多用されるが、ＧａＮ系材料に用いることは稀である。【００１７】
しかし、ＧａＮ基板を塩素系ガスでドライエンチングすると、さまざまな条件を検討しても、無視できないレベルの加工ダメージが残ることがわかった。【００１８】
このため、本発明者はフッ素系ガスに着目し、ＧａＮ基板の表面のドライエッチングを試みていた。ここで、特許文献１では、ＣＦ４ガスを用いてＧａＮ基板の表面のドライエッチングを行っている。この表面処理後のＧａＮ基板の表面をフォトルミネッセンスで観察すると、強度比の強い発光ピークが観察された。ところが、この基板上に発光層を形成すると、低電圧駆動時におけるリーク電流が非常に多くなり、ＬＥＤ特性が良くないことが判明した。【００１９】
本発明の課題は、少なくとも表面に窒化ガリウム層を有する基板において、窒化ガリウム層の表面処理後の表面ダメージを低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、少なくとも表面に窒化ガリウム層を含む基板であって、
誘導結合式プラズマ発生装置を具備したプラズマエッチング装置を用い、フッ素系ガスを導入し、前記窒化ガリウム層の表面をドライエッチング処理したことを特徴とする。【００２１】
また、本発明は、少なくとも表面に窒化ガリウム層を有する基板を製造する方法であって、
誘導結合式プラズマ発生装置を具備したプラズマエッチング装置を用い、フッ素系ガスを導入し、前記窒化ガリウム層の表面をドライエッチング処理することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明者は、ＣＦ４ガスでエッチング処理した後のＧａＮ基板の表面を、特許文献１の記載に従ってフォトルミネッセンスによって測定したところ、ピーク強度比率が大きく、表面状態が良いものと考えた。ここで、少なくとも表面に窒化ガリウム層を有する基板を「ＧａＮ基板」と呼ぶことにする。しかし、その上に発光層を形成すると、低駆動電圧時のリーク電流が大きいことがわかった。【００２３】
そこで、本発明者は、ＣＦ４ガスでエッチング処理した後のＧａＮ基板の表面を、カソードミネッセンス（以下、ＣＬと呼ぶ）で観察してみた。すると、明部に対するドライエッチング前後のＣＬスペクトルのピーク強度比がいまだ低かった。つまり、ドライエッチング前より像は見えるようになったものの、依然として発光スペクトル強度比が低く、暗像となり、ダークスポットは明確に観察できなかった。【００２４】
この理由については、以下のように考えられる。すなわち、ＧａＮ基板の表面の加工ダメージの有無は、フォトルミネッセンス（以下、ＰＬと呼ぶ）でもＣＬでも観察できるはずである。しかし、ＰＬよりもＣＬのほうが加工ダメージに対する感度が高い。なぜなら、ＰＬはレーザー光を基板に入射させてその発光を観察するため、レーザー光が透過するミクロンレベルの深さの分解能しかない。一方で、ＣＬでは、電子線を入射してその発光を観察するが、電子線は最表面で速やかに吸収されるために、最表面の情報のみを得ることができるためである。【００２５】
この結果、塩素系ガスでドライエッチング処理すると、加工量を増やしても、ＣＬ像が明るくならないことがわかった。【００２６】
また、ＣＦ４ガスでエッチング処理した後のＧａＮ基板の表面をＰＬで観測した場合には、細かいダメージを検出できなかったものと考えられる。【００２７】
本発明者は、この知見に基づき、更に特許文献１の方法を検討した。この結果、特許文献１では、平行平板方式でＣＦ４ガスのプラズマを生成させている点に着目し、これを誘導結合方式のプラズマに変更してみた。この結果、ＰＬだけでなく、ＣＬでも強度比のコントラストの大きい画像が得られ、ダークスポットを明瞭に観測できることを見いだした。これは、ＧａＮ基板の表面状態が著しく改善したことを示している。【００２８】
この原因は定かではないが、本発明の基板では、揮発しにくいＧａＦ３が反応、生成し、それが表面保護の役割を担っていることなどが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（ａ）は、種結晶基板１上に形成された窒化ガリウム層２を示す模式図であり、（ｂ）は、ＧａＮ基板を示す模式図であり、（ｃ）は、ＧａＮ基板４上に機能素子構造５を形成してなる機能素子１５を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（用途）
本発明は、高品質であることが要求される技術分野、例えばポスト蛍光灯といわれている高演色性の青色ＬＥＤや高速高密度光メモリ用青紫レーザ、ハイブリッド自動車用のインバータに用いるパワーデバイスなどに用いることができる。
【００３１】
（少なくとも表面に窒化ガリウム層を有する基板）
本発明の基板は、少なくとも表面に窒化ガリウム層を有するものである。以下、これを「ＧａＮ基板」と呼ぶことがある。本発明の基板は、窒化ガリウムのみからなる自立基板であってよい。あるいは、本発明のＧａＮ基板は、別体の支持基板上に窒化ガリウム層を形成してなる基板であってよい。また、ＧａＮ基板には、窒化ガリウム層や支持基板以外に、下地層、中間層、バッファ層などの他の層を備えていて良い。
【００３２】
好適な実施形態においては、図１（ａ）に示すように、種結晶基板１の表面１ａに窒化ガリウム層２を形成する。次いで、好ましくは、窒化ガリウム層２の表面２ａを研磨加工することで、図１（ｂ）に示すように窒化ガリウム層３を薄くし、ＧａＮ基板４を得る。３ａは研磨後の表面である。
【００３３】
こうして得られたＧａＮ基板４の表面３ａに機能層５を気相法で形成し、機能素子１５を得ることができる（図１（ｃ））。ただし、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅは、表面３ａ上に成長した適当なエピタキシャル層である。
【００３４】
種結晶基板１は、全体がＧａＮの自立基板からなっていてよい。あるいは、種結晶基板１は、支持基板と、支持基板上に設けられた種結晶膜からなっていてよい。また、好ましくは、窒化ガリウム層２の表面２ａを研磨加工することで、窒化ガリウム層を薄くし、ＧａＮ基板を得る。
【００３５】
本発明では、このＧａＮ基板の表面をドライエッチングする。好適な実施形態においては、この表面を機械研磨した後、化学機械研磨を経ることなくドライエッチング処理する。
【００３６】
（種結晶）
好適な実施形態においては、種結晶は窒化ガリウム結晶からなる。種結晶は、自立基板（支持基板）を形成していてよく、あるいは別の支持基板上に形成された種結晶膜であってよい。この種結晶膜は、一層であってよく、あるいは支持基板側にバッファ層を含んでいて良い。
【００３７】
種結晶膜の形成方法は気相成長法が好ましいが、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ： Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルス励起堆積（ＰＸＤ）法、ＭＢＥ法、昇華法を例示できる。有機金属化学気相成長法が特に好ましい。また、成長温度は、950〜1200℃が好ましい。
【００３８】
支持基板上に種結晶膜を形成する場合には、支持基板を構成する材質は限定されないが、サファイア、ＡｌＮテンプレート、ＧａＮテンプレート、ＧａＮ自立基板、シリコン単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＭｇＯ単結晶、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２、ＬａＡｌＯ３，ＬａＧａＯ３，ＮｄＧａＯ３等のペロブスカイト型複合酸化物、ＳＣＡＭ（ＳｃＡｌＭｇＯ４）を例示できる。また組成式〔Ａ１−ｙ（Ｓｒ１−ｘＢａｘ）ｙ〕〔（Ａｌ１−ｚＧａｚ）１−ｕ・Ｄｕ〕Ｏ３（Ａは、希土類元素である；Ｄは、ニオブおよびタンタルからなる群より選ばれた一種以上の元素である；ｙ＝０．３〜０．９８；ｘ＝０〜１；ｚ＝０〜１；ｕ＝０．１５〜０．４９；ｘ＋ｚ＝０．１〜２）の立方晶系のペロブスカイト構造複合酸化物も使用できる。
【００３９】
窒化ガリウム層の育成方向は、ウルツ鉱構造のｃ面の法線方向であってよく、またa 面、ｍ面それぞれの法線方向であってもよい。
【００４０】
種結晶の表面における転位密度は、種結晶上に設ける窒化ガリウム層の転位密度を低減するという観点から、低いことが望ましい。この観点からは、種結晶層の転位密度は、７×１０８ｃｍ−２ｃｍ以下が好ましく、５×１０８ｃｍ−２ｃｍ以下が更に好ましい。また、種結晶の転位密度は品質の点からは低いほど良いので、下限は特にないが、一般的には、5×107ｃｍ−２以上であることが多い。
【００４１】
（窒化ガリウム層）
窒化ガリウム層の製法は特に限定されないが、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ： Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルス励起堆積（ＰＸＤ）法、ＭＢＥ法、昇華法などの気相法、フラックス法などの液相法を例示できる。
【００４２】
好適な実施形態においては、窒化ガリウム層をフラックス法によって育成する。この際、フラックスの種類は、窒化ガリウム結晶を生成可能である限り、特に限定されない。好適な実施形態においては、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むフラックスを使用し、ナトリウム金属を含むフラックスが特に好ましい。
【００４３】
フラックスには、ガリウム原料物質を混合し、使用する。ガリウム原料物質としては、ガリウム単体金属、ガリウム合金、ガリウム化合物を適用できるが、ガリウム単体金属が取扱いの上からも好適である。
【００４４】
フラックス法における窒化ガリウム結晶の育成温度や育成時の保持時間は特に限定されず、フラックスの組成に応じて適宜変更する。一例では、ナトリウムまたはリチウム含有フラックスを用いて窒化ガリウム結晶を育成する場合には、育成温度を８００〜９５０℃とすることが好ましく、８００〜９００℃とすることが更に好ましい。
【００４５】
フラックス法では、窒素原子を含む気体を含む雰囲気下で単結晶を育成する。このガスは窒素ガスが好ましいが、アンモニアでもよい。雰囲気の全圧は特に限定されないが、フラックスの蒸発を防止する観点からは、３ＭＰａ以上が好ましく、４ＭＰａ以上が更に好ましい。ただし、圧力が高いと装置が大がかりとなるので、雰囲気の全圧は、７ＭＰａ以下が好ましく、５ＭＰａ以下が更に好ましい。雰囲気中の窒素原子を含む気体以外のガスは限定されないが、不活性ガスが好ましく、アルゴン、ヘリウム、ネオンが特に好ましい。
【００４６】
（カソードルミネッセンス）
カソードルミネッセンスは、ＧａＮ基板表面の微視的なバラツキを評価するものである。本発明では、窒化ガリウムのバンドギャップに対応する波長のカソードルミネッセンスをＧａＮ基板の表面で測定する。
【００４７】
マッピングを実施する際には、各点でカソードルミネッセンススペクトル分布を測定して特定波長領域での発光強度を比較することによりマッピングが実施される。波長領域を限定することにより、バンドギャップに起因したカソードルミネッセンスピークスペクトルのみを取り出せるようにできる。この時の、カソードルミネッセンスピークから、強度の平均値である平均階調（Ｘave）、強度の最大値であるピーク階調（Xpeak）が求められる。
【００４８】
好適な実施形態においては、前記カソードルミネッセンスマッピング画像において、ダークスポットを検出可能である。カソードルミネッセンスにおいて、バンド端に起因する発光に着目してマッピングを行うと、転位部はバンド端による発光が観察できず、周囲に比べて発光強度が急激に落ちる為、ダークスポットとして観察される。発光部と非発光部が明確に判別できるように、加速電圧を上げることにより10kV以上とすることが望ましい。特定視野範囲、例えば100μｍ視野におけるマッピングにて非発光部のダークスポット個数を数えることにより、ダークスポット密度を見積もることができる。
【００４９】
（ＧａＮ基板の加工および形態）
好適な実施形態においては、ＧａＮ基板が円板状であるが、角板などの他の形態でも良い。また、好適な実施形態においては、ＧａＮ基板の寸法が、直径φ２５ｍｍ以上である。これによって、機能素子の量産に適した、取り扱い易いＧａＮ基板を提供できる。
【００５０】
ＧａＮ基板の表面を研削、研磨加工する場合について述べる。
研削（グライディング）とは、砥粒をボンドで固定した固定砥粒を高速回転させながら対象物に接触させて、対象物の面を削り取ることをいう。かかる研削によって、粗い面が形成される。窒化ガリウム基板の底面を研削する場合、硬度の高いＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ダイヤモンドおよびＣＢＮ（キュービックボロンナイトライド、以下同じ）などで形成され、粒径が１０μｍ以上、１００μｍ以下程度の砥粒を含む固定砥粒が好ましく用いられる。
【００５１】
また、研磨（ラッピング）とは、遊離砥粒（固定されていない砥粒をいう、以下同じ）を介して定盤と対象物とを互いに回転させながら接触させて、または固定砥粒と対象物とを互いに回転させながら接触させて、対象物の面を磨くことをいう。かかる研磨によって、研削の場合よりも面粗さが小さい面であって微研磨（ポリシング）の場合より粗い面が形成される。硬度の高いＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ダイヤモンドおよびＣＢＮなどで形成され、粒径が０．５μｍ以上１５μｍ以下程度の砥粒が好ましく用いられる。
【００５２】
微研磨（ポリシング）とは、遊離砥粒を介して研磨パッドと対象物とを互いに回転させながら接触させて、または固定砥粒と対象物とを互いに回転させながら接触させて、対象物の面を微細に磨いて平滑化することをいう。かかる微研磨によって、研磨の場合よりも面粗さが小さい結晶成長面が形成される。
【００５３】
（誘導結合プラズマによる処理）
誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma、略称ICP）は、ガスに高電圧をかけることによってプラズマ化させ、さらに高周波数の変動磁場によってそのプラズマ内部に渦電流によるジュール熱を発生させることによって、高温プラズマを得るものである。
【００５４】
具体的には、石英ガラス等の管で作られた気体の通過する流路の周囲にコイルを巻き、流路に高周波数の大電流を流すことによって、高電圧と高周波数の変動磁場を生成させ、かつ流路にガスを流すことで、誘導結合プラズマを発生させる。このプラズマをＧａＮ基板の表面へと供給する。
【００５５】
ここで、エッチング時における規格化された直流バイアス電位（Ｖｄｃ／Ｓ）を、−１０Ｖ／ｃｍ２以上とすることが好ましい。Ｖｄｃは、電極間に印加する直流バイアス電位（単位Ｖ）である。また、Ｓは、処理対象であるＧａＮ表面の合計面積（単位ｃｍ２）である。Ｖｄｃ／Ｓは、処理対象であるＧａＮ表面の合計面積で規格化した、エッチング時のバイアス電位である。本発明では、Ｖｄｃ／Ｓを−１０Ｖ／ｃｍ２以上とする。窒化ガリウム複合基板の組み合わせや設置方法によってバイアス電位は変化するが、Ｖｄｃ／Ｓがこれを下回ると、ＧａＮ膜最表面への加工ダメージが深くなるためである。この観点からは、Ｖｄｃ／Ｓを−８Ｖ／ｃｍ２以上とすることが更に好ましい。
【００５６】
また、ＧａＮ基板表面の加工を促進するという観点からは、Ｖｄｃ／Ｓを−０．００５Ｖ／ｃｍ２以下とすることが好ましく、−０．０５Ｖ／ｃｍ２以下とすることがいっそう好ましく、−１．５Ｖ／ｃｍ２以下とすることがよりいっそう好ましい。
【００５７】
また、エッチング時におけるバイアス電位の電力（電極の面積で規格化した電力）は、プラズマを安定に生成させるという観点からは、０．００３Ｗ／ｃｍ２以上が好ましく、０．０３Ｗ／ｃｍ２以上が更に好ましい。また、エッチング時におけるバイアス電位の電力（電極の面積で規格化した電力）は、ＧａＮ基板表面の加工ダメージを減らすという観点からは、２．０Ｗ／ｃｍ２以下が好ましく、１．５Ｗ／ｃｍ２以下が更に好ましい。
【００５８】
フッ素系ガスは、フッ化炭素、フッ化炭化水素およびフッ化硫黄からなる群より選ばれた一種以上の化合物が好ましい。
【００５９】
好適な実施形態においては、フッ素系ガスが、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８およびＳＦ６からなる群より選ばれた一種以上の化合物である。
【００６０】
好適な実施形態においては、ドライエッチング後の表面のピット量が、ドライエッチング前の表面のピット量と実質的に同じである。このピット量は以下のようにして測定するものである。
ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて、１０μｍ視野による観察にて表面観察を行い、周囲に比べて１ｎｍ以上の凹部を数えることにより、見積もることができる。
【００６１】
好適な実施形態においては、ドライエッチング後の基板表面の算術平均粗さＲａが、ドライエッチング前の基板表面の算術平均粗さＲａと実質的に同じである。ただし、Ｒａは、JIS B 0601(1994)・JIS B 0031(1994)によって規格されている測定値である。
【００６２】
（機能層および機能素子）
前述した機能層は、単一層であってよく、複数層であってよい。また、機能としては、高輝度・高演色性の白色ＬＥＤや高速高密度光メモリ用青紫レーザディスク、ハイブリッド自動車用のインバータ用のパワーデバイスなどに用いることができる。
【００６３】
ＧａＮ基板上に気相法、好ましくは有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製すると、ＬＥＤ内部の転位密度がＧａＮ基板と同等となる。
【００６４】
機能層の成膜温度は、成膜速度の観点から、９５０℃以上が好ましく、１０００℃以上が更に好ましい。また、欠陥を抑制するという観点からは、機能層の成膜温度は、１２００℃以下が好ましく、１１５０℃以下が更に好ましい。
【００６５】
機能層の材質は、１３族元素窒化物が好ましい。１３族元素とは、IUPACが策定した周期律表による第１３族元素のことである。１３族元素は、具体的にはガリウム、アルミニウム、インジウム、タリウム等である。また、添加剤としては、炭素や、低融点金属（錫、ビスマス、銀、金）、高融点金属（鉄、マンガン、チタン、クロムなどの遷移金属）が挙げられる。低融点金属は、ナトリウムの酸化防止を目的として添加する場合があり、高融点金属は、坩堝を入れる容器や育成炉のヒーターなどから混入する場合がある。
【００６６】
発光素子構造は、例えば、ｎ型半導体層、このｎ型半導体層上に設けられた発光領域およびこの発光領域上に設けられたｐ型半導体層を備えている。図１（ｃ）の発光素子１５では、ＧａＮ基板４上に、ｎ型コンタクト層５ａ、ｎ型クラッド層５ｂ、活性層５ｃ、ｐ型クラッド層５ｄ、ｐ型コンタクト層５ｅが形成されており、発光素子構造５を構成する。
【００６７】
また、前記発光構造には、更に、図示しないｎ型半導体層用の電極、ｐ型半導体層用の電極、導電性接着層、バッファ層、導電性支持体などを設けることができる。
【００６８】
本発光構造では、半導体層から注入される正孔と電子の再結合によって発光領域で光が発生すると、その光をｐ型半導体層上の透光性電極又は１３族元素窒化物単結晶膜側から取り出す。なお、透光性電極とは、ｐ型半導体層のほぼ全面に形成された金属薄膜又は透明導電膜からなる光透過性の電極のことである。
【実施例】
【００６９】
（実施例１）
以下の手順で、ＧａＮ基板を製造した。
具体的には、ＣＬ（カソードルミネッセンス）による転位密度の面内分布が、外周１ｃｍを除いて平均２×１０８／ｃｍ２である、窒化ガリウム種結晶からなる自立型の種結晶基板１を用意した。種結晶の厚さは４００μｍである。【００７０】
種結晶基板１を用いてフラックス法によって窒化ガリウム層２を形成した。具体的には、Na、Gaを坩堝に入れて、８７０℃、４．０ＭＰａ（窒素雰囲気）にて５時間保持した後に、１０分で８５０℃まで降下した。次いで、４．０ＭＰａで２０時間保持し、窒化ガリウム層２を育成した。アルミナ坩堝を用い、出発原料は、Ｎａ：Ｇａ＝４０ｇ：３０ｇである。溶液撹拌のために、６００秒ごとに時計回り、反時計回りに回転方向を反転させた。回転数は３０ＲＰＭとした。【００７１】
反応後、室温まで冷却し、フラックスをエタノールにて化学反応除去させ、成長厚さ１００μｍの窒化ガリウム層２を得た。【００７２】
得られた基板をセラミックスの定盤に固定し、#2000の砥石によって研削して表面を平坦にした。次いで、ダイヤモンド砥粒を用いたラップ加工により、表面を平滑化した。砥粒のサイズを３μｍから０．１μｍまで段階的に小さくしつつ、平坦性を高めた。基板表面の算術平均粗さＲａは０．５ｎｍであった。研磨加工後の窒化ガリウム層の厚さは１５μｍであった。また、基板は無色透明であった。【００７３】
このときの研磨された表面の表面状態をＰＬで測定したところ、強度比の小さい発光ピークが観察された。また、ＣＬで観察したところ、真っ暗でほとんど発光せず、ダークスポットは観察できなかった。すなわち、加工歪みが大きい（ひずんでいる領域の厚さが電子線の進入深さよりも厚い）ことがわかった。【００７４】
次いで、ＧａＮ基板表面のドライエッチング処理を行った。ドライエッチングには、誘導結合型プラズマエッチング装置を用いた。フッ素系ガス（ＣＦ４）をエッチングガスに用いて、ドライエッチングを実施した。電極サイズは約φ８インチである。エッチング条件は、以下のとおりである。
出力：  （ＲＦ：４００W、バイアス：２００W）
チャンバー圧力：  １Ｐａ
エッチング時間：  １０分間
規格化された直流バイアス電位（Ｖｄｃ／Ｓ）：  −５．２Ｖ／ｃｍ２
バイアス電圧の電力（電極の面積で規格化した電力）１．３Ｗ／ｃｍ２【００７５】
この結果、エッチング速度は０．００６ミクロン／分であり、エッチング深さは約０．０６ミクロンであった。基板は無色透明のままであった。【００７６】
ドライエッチング処理が終わった基板の表面をＰＬ測定したところ、強度比の強い発光ピークが観察された。また、ＣＬ観察したところ、明部に対するドライエッチング前後のＣＬスペクトルのピーク強度比が５以上であり、欠陥に相当するダークスポットが明瞭に観察できた。また、ＸＰＳ（X線光電子分光）にて表面元素を確認したところ、ＧａＮ以外では、炭素に関するスペクトルが検出された。フッ素、塩素、珪素に関するスペクトルは検出されなかった。【００７７】
この基板を用いてＬＥＤを試作したところ、発光効率の高いＬＥＤができた。また、低電圧駆動（例えば２〜２．５Ｖ）時におけるリーク電流も非常に少なかった。【００７８】
（実施例２）
実施例１と同様にしてＧａＮ基板を得た。ただし、種結晶層の厚さは３μｍとし、ＧａＮ層の成長厚さは８０μｍとした。研磨加工後のＧａＮ層の厚さは１５μｍとした。【００７９】
その後、実施例１と同様に、ドライエッチングした。エッチング条件は以下のとおりである。
出力：  （ＲＦ：４００W、バイアス：２００W）
チャンバー圧力：  １Ｐａ
エッチング時間：  ５分間
規格化された直流バイアス電位（Ｖｄｃ／Ｓ）：  −７．２Ｖ／ｃｍ２
バイアス電圧の電力（電極の面積で規格化した電力）０．８Ｗ／ｃｍ２【００８０】
この結果、エッチング速度は０．００５μｍ／分であり、エッチング深さは、約０．０２５μｍであった。基板は無色透明のままであった。ドライエッチング処理が終わった基板の表面をＰＬ測定したところ、強度比の強い発光ピークが観察された。また、基板表面をＣＬ観察したところ、欠陥に相当するダークスポットが明瞭に観察できた。また、ＸＰＳにて表面元素を確認したところ、ＧａＮ以外では、炭素に関するスペクトルが検出された。フッ素、塩素、珪素に関するスペクトルは検出されなかった。この基板を用いてＬＥＤを試作したところ、発光効率の高いＬＥＤができた。また、低電圧駆動（例えば２〜２．５Ｖ）時におけるリーク電流も非常に少なかった。【００８１】
（実施例３）
実施例１と同様に実験を行った。ただし、ドライエッチングの際のガス種をＳＦ６にすると共に、エッチング条件は以下のとおりとした。
出力：  （ＲＦ：４００W、バイアス：２００W）
チャンバー圧力：  １Ｐａ
エッチング時間：  ５分間
規格化された直流バイアス電位（Ｖｄｃ／Ｓ）：  −３．６Ｖ／ｃｍ２
バイアス電圧の電力（電極の面積で規格化した電力）１．４Ｗ／ｃｍ２【００８２】
この結果、エッチング速度は０．００５μｍ／分であり、エッチング深さは、約０．０２５μｍであった。基板は無色透明のままであった。【００８３】
ドライエッチング処理が終わった基板の表面をＰＬ測定したところ、強度比の強い発光ピークが観察された。また、基板表面をＣＬ観察したところ、欠陥に相当するダークスポットが明瞭に観察できた。また、ＸＰＳにて表面元素を確認したところ、ＧａＮ以外では、炭素に関するスペクトルが検出された。フッ素、塩素、珪素に関するスペクトルは検出されなかった。【００８４】
この基板を用いてＬＥＤを試作したところ、発光効率の高いＬＥＤができた。また、低電圧駆動（例えば２〜２．５Ｖ）時におけるリーク電流も非常に少なかった。【００８５】
（比較例１）
実施例１と同様に実験を行った。ただし、ドライエッチングの際のガス種を、塩素系ガス（ガス流量比  ＢＣｌ３＋Ｃｌ２＝３：１）にし、エッチング条件は、以下のとおりとした。
出力：  （ＲＦ：４００W、バイアス：２００W）
チャンバー圧力：  １Ｐａ
エッチング時間：  ５分間
規格化された直流バイアス電位（Ｖｄｃ／Ｓ）：  −１３．１Ｖ／ｃｍ２
バイアス電圧の電力は（電極の面積で規格化した電力）１．３Ｗ／ｃｍ２【００８６】
この結果、エッチング速度は０．５μｍ／分であり、エッチング深さは約２．５μｍであった。基板は無色透明のままであった。【００８７】
ドライエッチング処理が終わった基板の表面をＰＬ測定したところ、強度比の強い発光ピークが観察された。しかし、基板表面をＣＬ観察したところ、明部に対するドライエッチング前後のＣＬスペクトルのピーク強度比が１．５以下であった。すなわち、ドライエッチング前より像は見えるようになったものの、依然として発光スペクトル強度比が低く暗像となり、ダークスポットは明確に観察できなかった。さらに５分追加工して、再びＣＬ観察したが、発光像は変化無く、ダークスポットは観察できなかった。また、ＸＰＳにて表面元素を確認したところ、ＧａＮ以外では、塩素に関するスペクトルが検出された。フッ素、炭素に関するスペクトルは検出されなかった。【００８８】
以上のことから、塩素系ガスを用いると、プラズマダメージがＧａＮ表面に新たに発生し、加工歪みを無くすことが出来ないことがわかった。【００８９】
この基板を用いてＬＥＤを試作したところ、低電圧駆動（例えば２〜２．５Ｖ）時におけるリーク電流が非常に多く、ＬＥＤ特性が良くなかった。これは、ＧａＮの最表面上に形成されている塩化物が原因である可能性が高い。【００９０】
（比較例２）
実施例１と同様に実験を行った。ただし、ドライエッチング装置を誘導結合型から平行平板型に変更し、エッチング条件は、以下のとおりとした。
出力：  ６００W
チャンバー圧力：  ３Ｐａ
エッチング時間：  ５分間
規格化された直流バイアス電位（Ｖｄｃ／Ｓ）：  −１１．３Ｖ／ｃｍ２【００９１】
この結果、エッチング速度は０．０２μｍ／分であり、エッチング深さは約０．１μｍであった。基板は無色透明のままであった。【００９２】
ドライエッチング処理が終わった基板の表面をＰＬ測定したところ、強度比の強い発光ピークが観察された。しかし、基板表面をＣＬ観察したところ、ドライエッチング前より像は見えるようになったものの、依然として発光スペクトル強度比が低く暗像となり、ダークスポットは観察できなかった。さらに5分追加工して、再びＣＬ観察したが、強度比に変化無く、ダークスポットは観察できなかった。また、ＸＰＳにて表面元素を確認したところ、ＧａＮ以外では、炭素に関するスペクトルが検出された。フッ素、塩素、珪素に関するスペクトルは検出されなかった。【００９３】
（実施例４）
実施例１と同様に実験を行った。ただし、エッチング条件は以下のとおりである。
出力：  （ＲＦ：４００W、バイアス：３００W）
チャンバー圧力：    １Ｐａ
エッチング時間：    ３分間
規格化された直流バイアス電位（Ｖｄｃ／Ｓ）：  −９．２Ｖ／ｃｍ２
バイアス電圧の電力は（電極の面積で規格化した電力）１．９Ｗ／ｃｍ２
この結果、エッチング速度は０．０６μｍ／分であり、エッチング深さは約０．１８μｍであった。基板は無色透明のままであった。【００９４】
ドライエッチング処理が終わった基板の表面をＰＬ測定したところ、強度比の強い発光ピークが観察された。また、基板表面をＣＬ観察したところ、欠陥に相当するダークスポットが観察できた。また、ＸＰＳにて表面元素を確認したところ、ＧａＮ以外では、炭素に関するスペクトルが検出された。フッ素、塩素、珪素に関するスペクトルは検出されなかった。【００９５】
この基板を用いてＬＥＤを試作したところ、ＬＥＤ特性は良かった。また、低電圧駆動（例えば２〜２．５Ｖ）時におけるリーク電流は少なかった。【００９６】
（比較例３）
ドライエッチングに代えてＣＭＰ仕上げにしたこと以外は、実施例１と同様に実験を行った。【００９７】
ＣＭＰした後の基板の表面をＰＬ測定したところ、強度比の強い発光ピークが観察された。また、ＣＬ観察したところ、欠陥に相当するダークスポットが明瞭に観察できた。一方で、基板表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定すると、エッチピットが多数発生していた。また、ＸＰＳにて表面元素を確認したところ、ＧａＮ以外では、珪素に関するスペクトルが検出された。フッ素、塩素、炭素に関するスペクトルは検出されなかった。【００９８】
この基板を用いてＬＥＤを試作したところ、低電圧駆動（例えば２〜２．５Ｖ）時におけるリーク電流が非常に多く、ＬＥＤ特性が良くなかった。この原因としては、ＣＭＰによって基板表面上に形成されたエッチピットが原因である可能性が高い。【００９９】
（実施例５）
実施例１と同様に実験を行った。エッチング条件は以下のとおりである。
出力：  （ＲＦ：１５０W、バイアス：１０W）
チャンバー圧力：    １Ｐａ
エッチング時間：    ３０分間
規格化された直流バイアス電位（Ｖｄｃ／Ｓ）：  −１．７Ｖ／ｃｍ２
バイアス電圧の電力は（電極の面積で規格化した電力）０．０５Ｗ／ｃｍ２【０１００】
この結果、エッチング速度は０．００１μｍ／分であり、エッチング深さは、約０．０３μｍであった。【０１０１】
ドライエッチング処理が終わった基板の表面をＰＬ測定したところ、強度比の強い発光ピークが観察された。また、基板表面をＣＬ観察したところ、欠陥に相当するダークスポットが明瞭に観察できた。また、ＸＰＳにて表面元素を確認したところ、ＧａＮ以外では、炭素に関するスペクトルが検出された。フッ素、塩素、珪素に関するスペクトルは検出されなかった。【０１０２】
この基板を用いてＬＥＤを試作したところ、発光効率の高いＬＥＤができた。また、低電圧駆動（例えば２〜２．５Ｖ）時におけるリーク電流も非常に少なかった。【０１０３】
（実施例６）
実施例１と同様に実験を行った。ただし、エッチング条件は以下のとおりである。
出力：  （ＲＦ：５０W、バイアス：１０W）
チャンバー圧力：    １Ｐａ
エッチング時間：    ３０分間
規格化された直流バイアス電位（Ｖｄｃ／Ｓ）：  −０．０２Ｖ／ｃｍ２
バイアス電圧の電力（電極の面積で規格化した電力）：  ０．０２Ｗ／ｃｍ２【０１０４】
この結果、エッチング速度は０．００１μｍ／分であり、エッチング深さは、約０．０３μｍであった。ただし、プラズマが不安定であり、エッチング分布ムラが見られた。【０１０５】
ドライエッチング処理が終わった基板の表面をＰＬ測定したところ、強度比の強い発光ピークが観察された。また、基板表面をＣＬ観察したところ、欠陥に相当するダークスポットが観察できた。また、ＸＰＳにて表面元素を確認したところ、ＧａＮ以外では、炭素に関するスペクトルが検出された。フッ素、塩素、珪素に関するスペクトルは検出されなかった。【０１０６】
この基板を用いてＬＥＤを試作したところ、発光効率の高いＬＥＤができた。また、低電圧駆動（例えば２〜２．５Ｖ）時におけるリーク電流も少なかった。
【要約】窒化ガリウム層を有する基板において、窒化ガリウム層の表面処理後の表面ダメージを低減し、その上に形成する機能素子の品質を改善する。少なくとも窒化ガリウム層を有する基板４を提供する。誘導結合式プラズマ発生装置を具備したプラズマエッチング装置を用い、規格化された直流バイアス電位を−１０Ｖ／ｃｍ２以上としてフッ素系ガスを導入し、窒化ガリウム層３の表面３ａをドライエッチング処理する。
【選択図】            図１【図１】
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